Chimie Organique L1 - Biotechnologie : Nomenclature, Stéréochimie et Effets Électroniques

Cartes de révision au format Question-Réponse couvrant la nomenclature IUPAC, les représentations tridimensionnelles, la stéréochimie et les effets électroniques du cours de chimie organique L1.

Selon les règles internationales de l'IUPAC, quelle est la structure générale du nom d'une molécule organique ?

Le nom chimique complet se compose de : Préfixe – racine – suffixe, où la racine et le suffixe forment le nom principal.

Quelles sont les formules générales brutes respectives des alcanes acycliques et des cycloalcanes ?

Les alcanes acycliques ont pour formule brute générale $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$, et les cycloalcanes ont pour formule générale $\text{C}_n\text{H}_{2n}$.

Quel est l'état physique à température ambiante des alcanes linéaires de $n = 1$ à $4$ carbones par rapport à ceux de $n = 5$ à $10$ carbones ?

Les alcanes linéaires de $1$ à $4$ carbones sont à l'état gazeux, alors que ceux possédant de $5$ à $10$ carbones sont à l'état liquide.

Quels sont les noms usuels des groupes alkyles ramifiés suivants : $-\text{CH}(\text{CH}_3)_2$, $-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)_2$ et $-\text{C}(\text{CH}_3)_3$ ?

Ce sont respectivement :

• $-\text{CH}(\text{CH}_3)_2$ : isopropyle ($i\text{-Pr}$)
• $-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)_2$ : isobutyle ($i\text{-Bu}$)
• $-\text{C}(\text{CH}_3)_3$ : tert-butyle ($t\text{-Bu}$)

Comment la chaîne carbonée principale d'un alcane ramifié doit-elle être numérotée selon les règles IUPAC ?

Elle doit être numérotée de façon à attribuer les plus petits chiffres possibles aux carbones portant des substituants (somme des indices de position la plus faible possible).

Quels alcanes naturels spécifiques mentionne le cours à la surface des feuilles de chou et dans l'huile de bois du pin de Jeffrey ?

La surface cireuse des feuilles de chou contient du nonacosane ($\text{C}_{29}\text{H}_{60}$) et l'huile de bois du pin de Jeffrey contient de l'heptane ($\text{C}_7\text{H}_{16}$).

Quelle est la composition principale du gaz naturel présentée dans le cours ?

Le gaz naturel est constitué à $80\,\%$ de méthane, accompagné d'éthane, de propane et de butane.

Quelles sont les formules respectives des groupements insaturés vinyle et allyle ?

Le groupe vinyle correspond à $\text{CH}_2=\text{CH}-$ et le groupe allyle correspond à $\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-$.

Quelle est la différence de structure entre le substituant phényle et le substituant benzyle dérivés des composés aromatiques ?

Le groupe phényle ($\text{Ph}-$) dérive directement du benzène, tandis que le groupe benzyle ($\text{Ph}-\text{CH}_2-$) dérive du toluène.

Quel est l'ordre de priorité décroissant des principales fonctions chimiques pour le choix du suffixe en nomenclature IUPAC ?

Acide carboxylique > aldéhyde > cétone > alcool > amine > alcène > alcyne.

Quelle formule permet de calculer l'indice d'insaturation $n_i$ d'une molécule organique et combien d'insaturations compte une triple liaison ?

La formule est $n_i = \frac{2n_{\text{IV}} + n_{\text{III}} - n_{\text{I}} + 2}{2}$. Une triple liaison équivaut à $2$ insaturations.

Comment est désigné un substituant de fonction amide dont l'atome d'azote porte un groupe alkyle ?

On fait précéder le nom du groupe alkyle par la lettre $N-$ (par exemple $N\text{-méthyl}$) et les substituants sont énoncés par ordre alphabétique.

Quels sont les trois types d'isomérie structurale ?

1. Isomérie de chaîne (agencement différent du squelette carboné)
2. Isomérie de position (déplacement de la position de la fonction ou du substituant sur la chaîne)
3. Isomérie de fonction (même formule brute mais fonctions chimiques différentes)

Quelle est la différence énergétique et mécanique entre les isomères de conformation et les isomères de configuration ?

Le passage entre isomères de conformation (rotamères) s'opère par simple rotation autour de liaisons simples (énergie faible), alors que le passage entre isomères de configuration exige une rupture de liaisons (énergie très élevée).

Quelles sont les conventions spatiales de la projection de Fischer ?

La chaîne carbonée la plus longue est disposée verticalement avec le carbone le plus oxydé au sommet ; les liaisons horizontales pointent vers l'avant du plan, et les liaisons verticales pointent vers l'arrière du plan ou dans le plan.

Qu'est-ce qu'une paire d'énantiomères et quelle propriété géométrique caractérise une telle molécule ?

Ce sont deux molécules images l'une de l'autre dans un miroir plan et non superposables. La molécule est qualifiée de chirale.

Quelle molécule chirale naturelle possède cette structure (l'énantiomère $R$ ayant une odeur de cumin et l'énantiomère $S$ une odeur de menthe) ?

La carvone (le carbone asymétrique étant marqué d'un astérisque).

Quelle molécule chirale médicamenteuse, connue pour l'effet tératogène de l'un de ses énantiomères, est représentée par cette formule ?

Le thalidomide.

Comment détermine-t-on la configuration absolue $R$ ou $S$ d'un centre asymétrique selon les règles de Cahn, Ingold et Prelog (CIP) ?

1. Classer les quatre substituants selon le numéro atomique décroissant ($1 > 2 > 3 > 4$).
2. Regarder la molécule avec le groupe le moins prioritaire ($4$) vers l'arrière.
3. Suivre l'ordre $1 \rightarrow 2 \rightarrow 3$ : s'il s'effectue dans le sens horaire, le centre est $R$ (Rectus) ; dans le sens trigonométrique/antihoraire, il est $S$ (Sinister).

Qu'est-ce qu'un mélange racémique et quel est son comportement face à la lumière polarisée ?

C'est un mélange équimolaire ($50/50$) de deux énantiomères. Il est optiquement inactif par compensation externe.

Combien de stéréoisomères de configuration au maximum peut posséder théoriquement une molécule contenant $n$ centres asymétriques ?

Elle peut posséder au maximum $2^n$ stéréoisomères théoriques (comprenant énantiomères et diastéréoisomères).

Qu'est-ce qu'une forme méso ?

C'est une molécule qui comporte au moins deux carbones asymétriques mais qui possède un plan ou un centre de symétrie interne, la rendant achirale et optiquement inactive par compensation interne.

Comment attribue-t-on les configurations géométriques $Z$ et $E$ à un alcène selon les règles CIP ?

On classe les deux substituants de chaque carbone $sp^2$ par priorité CIP : si les deux groupes prioritaires sont situés du même côté de la double liaison, la configuration est $Z$ (Zusammen) ; s'ils sont de part et d'autre, elle est $E$ (Entgegen).

Comment est défini le moment dipolaire permanent $\mu$ d'une liaison polarisée ?

Il est défini par $\mu = q \times l$ (où $q$ est la charge partielle et $l$ la distance internucléaire) et s'exprime usuellement en Debye.

Qu'est-ce que l'effet inductif et comment se transmet-il ?

C'est une polarisation électronique permanente provoquée par une différence d'électronégativité qui génère des charges partielles ($\delta^+$ et $\delta^-$). Il se transmet à travers les liaisons $\sigma$ adjacentes sans gain ni perte nette d'électrons.

Donnez des exemples typiques de groupements à effet inductif donneur ($+I$) et attracteur ($-I$).

• Effet $+I$ : groupements alkyles ($\text{Me} < i\text{-Pr} < t\text{-Bu}$) et métaux ($\text{Li}$, $\text{Na}$, $\text{MgX}$).
• Effet $-I$ : atomes d'halogènes ($\text{F}$, $\text{Cl}$, $\text{Br}$, $\text{I}$), hétéroatomes neutres ($\text{O}$, $\text{S}$, $\text{N}$) et groupes chargés positivement.

Pourquoi le trifluoroéthanol ($\text{CF}_3\text{CH}_2\text{OH}$) est-il plus acide que l'éthanol ($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$) ?

Parce que l'effet inductif attracteur ($-I$) puissant des trois atomes de fluor stabilise la base conjuguée alcoolate ($\text{CF}_3\text{CH}_2\text{O}^-$) et favorise la rupture de la liaison $\text{O}-\text{H}$.

Qu'est-ce que l'effet mésomère et quelles sont les conditions structurales nécessaires à sa manifestation ?

C'est la délocalisation d'électrons $p$ (doublets $\pi$ de liaisons multiples et doublets libres d'hétéroatomes ou d'anions) dans un système conjugué. Les atomes participants doivent être coplanaires pour permettre le recouvrement des orbitales $p$.

Entre l'effet inductif et l'effet mésomère d'un même substituant, lequel prédomine généralement sur la réactivité chimique ?

Les effets mésomères l'emportent généralement sur les effets inductifs.

Quelle est la définition d'un réactif nucléophile ($\text{Nu}^-$) par rapport à un réactif électrophile ($\text{E}^+$) ?

• Un nucléophile ($\text{Nu}^-$) est une entité riche en électrons capable d'apporter un doublet pour former une liaison covalente.
• Un électrophile ($\text{E}^+$) est une entité déficiente ou pauvre en électrons (cation, orbitale vacante, site polarisé positivement) qui accepte un doublet électronique.

Quelle différence distingue une rupture homolytique d'une rupture hétérolytique lors du clivage d'une liaison covalente ?

La rupture homolytique produit deux radicaux libres (chaque atome repart avec un électron), tandis que la rupture hétérolytique produit deux ions (un carbocation et un anion, ou un carbanion et un cation, le doublet étant conservé par l'atome le plus électronégatif).